47782

Закономірності зовнішньої форми кристалів

Конспект

Химия и фармакология

Поняття про кристали. У сучасній техніці кристали широко використовуються у радіотехніці електроніці автоматиці телемеханіці оптиці. Сьогодні у промислових умовах вирощують штучні кристали алмаз кварц напвпровідникові матеріали германій кремній різноманітні сполуки.

Украинкский

2013-12-02

83.5 KB

2 чел.

Кременчук 2011

Тема 1. Закономірності зовнішньої форми кристалів

  1.  макроскопічний та мікроскопічний підходи до вивчення стану речовини.
  2.  поняття про кристали. Властивості кристала.
  3.  Закономірності зовнішньої форми кристалів.

макроскопічний та мікроскопічний підходи до вивчення стану речовини

Відомо, що залежно від умов (тиск, температура) речовина як форма матерії може існувати в різних станах (тверде тіло, рідина, газоподібний стан). У конденсованому стані в 1 см3 речовини знаходиться ~ 1021 – 1023 ядер і 1022 1024 електронів, які взаємодіють між собою та із зовнішніми фізичними полями.

Найпростіша модель конденсованого стану – в якій конденсат розглядається як суцільне середовище. Такий підхід зветься макроскопічним. В цьому випадку не враховуються деталі внутрішньої будови речовини.

Прикладом макроскопічного підходу до вивчення речовини є дослідження газів. При певних умовах кожна частка газу володіє певною кінетичною енергією Е, яка набагато перевищує потенціальну енергію взаємодії часток U: E >> U. З цієї причини частки газу рухаються незалежно одна від іншої.

Для конденсованого стану співвідношення між енергіями частки є протилежним, а саме E << U.

Це означає, що частки у конденсованому стані сильно пов’язані між собою. Збудження однієї частки призводить до збудження сусідніх часток. Цей процес залежить від будови речовини, тому більш точним для дослідження конденсованих систем (тверді тіла, рідина) є мікроскопічний підхід, в якому приймають до уваги внутрішню будову елементів, з яких складається система.

поняття про кристали. Властивості кристала

Найбільш простою системою конденсованого середовища є ідеальний кристал (ІК). Під ідеальним кристалом розуміються тверді тіла, в яких реалізується симетрія у розміщенні атомів.

Більшість твердих тіл у природі мають кристалічну будову (метали, піски, гірські породи, а також органічні речовини – білки).

У сучасній техніці кристали широко використовуються у радіотехніці, електроніці, автоматиці, телемеханіці, оптиці.

Тому вивчення будови кристалів, а також їх властивостей – одна з важливих задач сучасної фізики.

При цьому фахівці не можуть задовольнитися лише природними властивостями кристалічних тіл, тому що техніці необхідні матеріали з наперед заданими властивостями.

Сьогодні у промислових умовах вирощують штучні кристали (алмаз, кварц, напвпровідникові матеріали – германій, кремній, різноманітні сполуки).

Створені кристали, аналогій яких не існує в природі, з унікальними властивостями.

Для того, щоб штучно виготовити нові кристалічні тіла, щоб управляти властивостями кристалів, необхідно знати закони, яким ці тіла підкоряються.

Кристалографія – одна з дисциплін, що розглядає ці закони.

Кристали складаються з часток (атомів, іонів, молекул), але вони мають такі властивості, яких немає у окремої частки.

Наведемо висловлювання академіка Вавілова С. І. (1941 р.):

 Кристалл нельзя рассматривать как простую сумму молекул, из которых он построен. Он ведет себя как особого рода гигантская молекула, как целый спаянный коллектив.

 Суттєвою особливістю розміщення часток у кристалах є періодичне повторювання однакових часток, з яких побудований кристал. Внаслідок впорядкованого розміщення часток кристали набувають такі властивості, яких немає у некристалічних тіл.

Однією з таких властивостей є плоскогранність монокристалів.

Монокристалами називають одиночні кристали, для яких характерний певний порядок у розміщенні часток (атомів, іонів, молекул).

Слово „кристал” вживалось древніми греками як назва гірського кришталю, який часто зустрічається у природі у вигляді тіл правильної форми.

Коли ми говоримо про кристал, у нас виникає образ тіла, яке має правильну форму – куба, октаедра, призми.

Правильна форма кристала є наслідком впорядкованого розміщення у ньому часток. Це основна властивість кристала.

У природі частіше всього зустрічаються кристалічні речовини у вигляді сукупності зв’язаних один з одним хаотично орієнтованих монокристалів. Такі речовини називають полікристалами.

Таким чином, у монокристалі присутній порядок у розміщенні часток, у полікристалі він порушується на гранях одиночних монокристалів.

Закономірності зовнішньої форми кристалів

Наслідком закономірного розміщення часток у кристалах є їх правильна зовнішня форма.

Суттєвими особливостями зовнішньої форми кристала є:

  1.  Наявність плоских граней
  2.  Прямолінійність ребер
  3.  Постійність кутів між відповідними гранями
  4.  Постійність кутів між відповідними ребрами

Закон постійності кутів кристала (закон Стено (XVI cт.)

У різних кристалів однієї і тієї речовини величина і форма граней, їх взаємні відстані та кількість можуть змінюватись, але кути між відповідними гранями при цьому лишаються постійними.

Через 100 років у 1763 році М. В. Ломоносов незалежно від Стено встановив закон постійності кутів кристала („Ттрактат о слоях земных”).

Незалежно від Стено і Ломоносова цей закон відкрив також Роме де Ліль. Крім того, він підтвердив закон точними кристалографічними вимірюваннями.

Якщо Стено дослідив тільки кристали двох мінералів – кварцю (SiO2) і гематита (Fe2O3), то Роме де Ліль описав біля 500 кристалів.

До М. В. Ломоносова ніхто не запропонував ніяких узагальнень чи гіпотез, що могли б пояснити результати спостережень.

Пояснення досліджених закономірностей сформулював М. В. Ломоносов:

Правильна зовнішня форма кристалів пов’язана із закономірним розміщенням часток, що утворюють кристал.

 Вчення Ломоносова про наявність зв’язку між зовнішньою формою кристала та їх внутрішньою будовою було лише гіпотезою.

Цю гіпотезу обгрунтував Є. С. Федоров, основоположник кристалохімічного аналізу, що дозволяє визначити за допомогою зовнішньої форми кристала його хімічний склад. Ідеї Федорова розвив А. В. Шубніков. Він вперше сформулював існування тісного зв’язку між хімічним складом кристала та його симетрією.

 Симетрія – пропорційність у розміщенні часток чого-небудь по обидва боки від середини або центру.

Вчення про зовнішню форму кристалів отримало назву морфологія.

Слід зауважити, що кристали набувають правильну форму тільки при умові вільного росту, тому що зовнішній вплив може її перекручувати.

Зовнішніми впливами, що заважають кристалам приймати правильну форму в процесі росту є нерівномірність розподілу температури, неоднаковість концентрації речовини у різних місцях розчину, домішки сторонніх речовин, механічні перешкоди.

В результаті одні грані можуть розвиватись більше, інші – менше, ніж потрібно для того, щоб кристал прийняв правильну форму.

Основні поняття і висновки, які слід запам’ятати:

  1.  Кристали входять до групи речовин, що знаходяться у твердому агрегатному стані (конденсовані системи).
  2.  Більшість твердих тіл у природі має кристалічну будову.
  3.  Кристали складаються з часток (атомів, іонів, молекул), але вони мають властивості, які відсутні у окремих часток.
  4.  Кристал не можна розглядати просто як суму часток (атомів, іонів, молекул). Він поводить себе як організований колектив цих часток.
  5.  Суттєвою особливістю розміщення часток у кристалах є періодичне повторювання однакових часток, з яких побудований кристал.
  6.  Внаслідок впорядкованого розміщення часток кристали набувають такі властивості, яких немає у некристалічних тіл.

Ці властивості:

  •  правильна форма (наявність плоских граней і прямолінійність ребер);
  •  постійність кутів між відповідними гранями та ребрами;
  •  впорядкованість розміщення часток (основна властивість кристала).
  1.  Закон постійності кутів кристала.

У різних кристалів однієї і тієї речовини величина і форма граней, їх взаємні відстані та кількість можуть змінюватись, але кути між відповідними гранями при цьому лишаються постійними.

Цей закон незалежно один від одного відкрили Стено, Ломоносов, Роме де Ліль.

У подальшому це вчення було розвинуто Федоровим і Шубніковим.

Останнє визначення кристала належить Г. В. Вульфу (1863 – 1925 рр.):

Кристалом зветься тверде тіло, обмежене в силу своїх внуирішніх властивостей плоскими поверхнями – гранями.

Кристалографія – це наука про закони кристалічної будови твердого тіла.


Тема 5. Структура і властивості кристалічних тіл

  1.  Класифікація кристалів за ознакою виду їх часток.
  2.  Приклади кристалічних структур.
  3.  Особливості фізичних властивостей кристалів.

  1.  Класифікація кристалів за ознакою виду їх часток.

За видами часток, з яких побудований кристал, і за характером сил взаємодії між частками всі кристали можна поділити на 4 групи: іонні, атомні, металеві та молекулярні.

Іонні кристали. Будівельними частками іонних кристалів є протилежно заряджені іони. Взаємне притягання між ними створює іонний зв’язок. Типовими іонними кристалами є NaCl, CsCl, CdF2. До іонних кристалів відносяться також деякі інтерметалічні сполуки: AuZn, MgAg, CdAg. Іонні кристали слабо розширюються при нагріванні і мають високу точку плавлення, що свідчить про велику міцність іонного звязку.

Чим більший заряд іона, тим вище температура плавлення іонного кристала. Наприклад, NaCl плавиться при температурі ~ 800 °С, а температура плавлення СаО досягає 2570 °С.

Іонні кристали не проводять електричний струм, тому що їх електрони міцно утримуються на орбітах іонів. Проте при нагріванні іонні кристали стають провідними з іонною електропровідністю. Наприклад, якщо кристал NaCl затиснути між двома електродами і розмістити його у нагрівальній печі, з’єднавши електроди з джерелом постійного струму, то при температурах 500 – 550 °С іони Na+ почнуть рухатись до катоду.

Атомні кристали. Атомні кристали утворюються атомами, які пов’язані один з одним гомеополярними (ковалентними зв’язками, що утворюються внаслідок того, що у двох або кількох сусідніх атомів створюються усуспільнені («колективізовані») електрони.

Приклад атомного кристала – алмаз. Атомні кристали подібно до іонних не проводять електричний струм, але на відміну від іонних лишаються непровідними не тільки при високих температурах, а навіть у розплаві.

Металічні кристали. Метали являють собою позитивні іони, що оточені середовищем вільних електронів, які пересуваються хаотично. Таким чином, метал можна спрощено уявити як іонний «каркас», що занурений в «електронний газ».

Метали відрізняються від інших кристалічних тіл високими теплопровідністю та електропровідністю, оптичною непрозорістю та високою відбивальною здатністю.

Молекулярні кристали. Молекулярні кристали утворюються молекулами, що пов’язані одна з одною силами взаємодії між молекулярними диполями, які звуться «ван-дер-ваальсовими».

Приклад молекулярного кристала – нафталін (рис. 5.1).

Низька точка плавлення (~ 80 °С), мякість свідчать про те, що звязок такого виду дуже слабкий.

  1.  Приклади кристалічних структур

Структура графіту (рис. 5.2). У деяких твердих тілах може одночасно існувати декілька видів звязку. Прикладом є шарувата структура графіту. Плоскі шари пов’язані один з одним ван-дер-ваальсовими силами, а в межах шару три валентні електрони кожного атома вуглецю утворюють гомеополярний зв’язок із сусідніми атомами, а четвертий електрон лишається вільним («сколективізується»), як у металах (тільки в межах одного шару).

Таким чином, в кристалах графіту існує звязок трьох видів: гомеополярний, металічний і ва-дер-ваальсовий.

Структура хлористого натрію (рис. 5.3). Решітка – кубічна, гранецентрована. Аналогічну структуру мають кристали KBr, RbJ, PbS, AgBr, MgO.

Cтруктура хлористого цезію (рис. 5.4). Решітка – проста, кубічна. Структуру хлористого цезію можна уявити у вигляді двох простих решіток, що зміщені одна відносно другої у напрямі [111] на половину довжини діагоналі куба, причому вузли однієї решітки зайняті іонами цезію, а вузли іншої – іонами хлору.

     


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1916. Формы воспитательной работы 18.81 KB
  В словаре С.И. Ожегова дается девять значений слова форма. Это и внешнее сочетание, и установленный образец и т. п. Говоря о форме воспитательной работы, мы прежде всего имеем в виду выражение содержания воспитательной работы через определенную структуру отношений педагогов и учащихся.
1917. Педагогические закономерности в трудовом воспитании учащихся 20.97 KB
  Ознакомление с педагогическими закономерностями в ТВУ. Понятие закономерности и закономерности воспитания учащихся. Морально-воспитательная и нравственно-практическая деятельность. Художественно эстетическая деятельность.
1918. Профессия – наше будущее 21.2 KB
  Цель мероприятия: сформировать представление о разнообразии профессий, а также уметь находить между ними существенные отличия и сходства, что в дальнейшем позволит более глубже оценивать каждую профессию.
1919. Квантовая механика. Квантование на искривленных поверхностях 1.2 MB
  Метод Гамильтона, квантование на искривленных поверхностях, квантование на плоских поверхностях, обобщенная гамильтонова динамика, скобки Дирака в геометрии.
1920. Формирование экологической культуры школьников в условиях учебно-производственного комбината 1.2 MB
  Теоретико-методические проблемы формирования экологической культуры учащихся. Педагогический подход к содержанию и технологии формирования экологической культуры учащихся в образовательных учреждениях. Организационные и содержательные условия деятельности учебно-производственного комбината по формированию экологической культуры.
1921. Образовательные порталы как средство систематизации и структурирования информации 1.2 MB
  Научно-методические основы создания и использования образовательных интернет-порталов. Организация представления учебной информации на портале. Практическая реализация информационно-образовательного портала вуза.
1922. Земля. Справочник собственника и арендатора 1.19 MB
  Правовые основы земельных отношений, виды земель и их значение. Порядок оформления и переоформления прав на земельные участки. Основания приобретения права собственности на землю. Общая характеристика сделок с земельными участками.
1923. Лингвокультурная специфика словообразовательной категории локативности 1.19 MB
  Общая характеристика локативов как предмета исследования и терминологии работы. Лексико-семантическое поле в соотношении со словообразовательной категорией локативности. Категория локативности в русской деривационной системе.
1924. Проблема свободы в поэтическом творчестве В.С. Высоцкого 1.19 MB
  Теоретические аспекты проблемы свободы воли. Философская традиция проблемы свободы в 1950-1970 годах. Концепция свободы в песнях тюремно-лагерной тематики В.С. Высоцкого. Символика самолета, птицы и полета в разработке проблемы свободы.